MATLAB語言與控制系統(tǒng)仿真-參考答案-第8章

8.6控制系統(tǒng)的Simulink仿真實訓8.6.1實訓目的:1.學會運用Simulink進行系統(tǒng)仿真；2.了解子系統(tǒng)的創(chuàng)建方法及簡單應用；3.運用Simulink實現(xiàn)混沌控制系統(tǒng)的仿真；4.運用Simulink實現(xiàn)伺服跟蹤系統(tǒng)等系統(tǒng)的仿真；8.6.2實訓內(nèi)容：1.按照圖8-39所示建立系統(tǒng)的結構圖文件。圖8-39（1）K=50,紀錄圖示三處的波形，分析系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性并給出穩(wěn)態(tài)誤差。仿真文件：sx8620101.mdl系統(tǒng)穩(wěn)定，穩(wěn)態(tài)誤差為0；（2）K=200,紀錄圖示三處的波形，根據(jù)曲線分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性。仿真文件：sx8620102.mdl由輸出曲線可以看出閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定；（3）編寫程序求取K=200時的閉環(huán)傳遞函數(shù)，求出系統(tǒng)的閉環(huán)極點（特征根），說明系統(tǒng)的穩(wěn)定性，分析與（2）得出的結論是否一致。%實訓8620103.mn1=3;d1=[1,2];[n2,d2]=cloop(n1,d1);sysa=tf(n2,d2);sysb=tf([200],[1,0])*tf([1],[1,5]);sysc=sysa*sysb/(1+sysa*sysb);[nc,dc]=tfdata(sysc,'v');roots(dc)>>ans=0-12.05491.0275+6.9797i1.0275-6.9797i-5.0000+0.0000i-5.0000-0.0000i有兩個特征根在右半平面，閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定；與（2）得出的穩(wěn)定性結論一致。2.子系統(tǒng)創(chuàng)建實驗（1）建立如下系統(tǒng)。（2）選定范圍,創(chuàng)建子系統(tǒng)并定義變量a。圖8-40(3)利用創(chuàng)建的子系統(tǒng),分別記錄時所示系統(tǒng)的輸出波形。a=2a=4a=6a=8a=103.已知四維混沌系統(tǒng)的運動方程如下，試用Simulink進行仿真。（1）四個積分器的初始值自定，建議在（0.01，3.0）范圍內(nèi)隨機給出。（2）給出記錄以下命令的相關圖形。1plot(x1,x2);②plot(x1,x3);③plot(x1,x4);④plot(x2,x3);⑤plot(x2,x4);⑥plot(x3,x4);⑦plot3(x1,x2,x3);⑧plot3(x1,x2,x4);⑨plot3(x2,x3,x4);解：仿真文件sx86203.mdl如下圖所示；仿真參數(shù)中仿真時間設為0-100s;4個積分器的初始值本仿真設置的數(shù)值依次為0.1，0.2，0.3，0.4；仿真文件建立完成后設置好相關參數(shù)，運行；然后在命令窗口運行以下命令>>subplot(3,3,1),plot(x1,x2);subplot(3,3,2),plot(x1,x3);subplot(3,3,3),plot(x1,x4);subplot(3,3,4),plot(x2,x3);subplot(3,3,5),plot(x2,x4);subplot(3,3,6),plot(x3,x4);subplot(3,3,7),plot3(x1,x2,x3);subplot(3,3,8),plot3(x1,x2,x4);subplot(3,3,9),plot3(x2,x3,x4);4.已知某單位負反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為,求取系統(tǒng)的單位階躍響應,分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性。加入PID控制器，進行仿真實驗，選取合適的PID參數(shù)。分析控制效果。（1）利用Simulink仿真繪制系統(tǒng)的單位階躍響應曲線（0-50秒），依據(jù)曲線判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。（2）在偏差信號后串聯(lián)PID控制器，設置PID控制器的比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)，分別繪制系統(tǒng)的單位階躍響應曲線并進行簡要分析。解：（1）建立sx8620401.mdl如下仿真結果如下：（2）建立sx8620402.mdl如下對PID模塊進行封裝后得到運行結果：結論：選取適當?shù)腜ID參數(shù)可以使系統(tǒng)穩(wěn)定性變好；PID參數(shù)的選取對于系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生重要的影響。5.PID控制器參數(shù)對伺服跟蹤控制系統(tǒng)控制性能的影響電機轉速伺服跟蹤控制系統(tǒng)如圖8-41所示，用Simulink對給出的伺服跟蹤控制系統(tǒng)進行建模。其中：，，，,,,,,,,,,,（1）繪制系統(tǒng)的單位階躍響應曲線。（2）觀察記錄圖8-41中6個求和器（比較點）輸出端的波形，輸入信號取單位階躍信號。解：按照上圖建立仿真文件，輸入端加上單位階躍信號；用示波器scope觀察波形即可；大部分現(xiàn)代列車和調(diào)度機車都采用電力牽引電機，已知某電力牽引電機控制系統(tǒng)（單位負反饋系統(tǒng)）的開環(huán)傳遞函數(shù)為（1）利用Simulink求取系統(tǒng)的單位階躍響應曲線。（2）繪制開環(huán)系統(tǒng)的伯德圖，要求在圖上顯示幅值裕度和相角裕度。n=2700;d=[1,1.25,0];margin(n,d)（3）在命令窗口編程繪制系統(tǒng)的單位脈沖響應，時間范圍；>>n=2700;>>d=[1,1.25,0];>>[nc,dc]=cloop(n,d);>>sys=tf(nc,dc)Transferfunction:2700--------------------------s^2+1.25s+2700>>impulse(sys)>>impulse(sys,0:0.01:5)7.哈勃太空望遠鏡指向控制仿真。哈勃太空望遠鏡于1990年4月14日發(fā)射至離地球611km的太空軌道，它的發(fā)射與應用將空間技術發(fā)展推向了一個新的高度。望遠鏡的2.4m鏡頭擁有所有鏡頭中最光滑的表面，其指向系統(tǒng)能在644km以外將視野聚集在一枚硬幣上，望遠鏡的偏差在1993年12月的一次太空任務中得到了大范圍的校正。哈勃太空望遠鏡簡化后的結構圖如圖8-42所示。試通過Simulink仿真繪制系統(tǒng)在，時：，（1）系統(tǒng)在單位階躍輸入下的響應曲線，。（2）系統(tǒng)對單位階躍擾動的響應曲線，，。（3）系統(tǒng)對單位階躍輸入和單位階躍擾動的響應曲線，，。8.火星漫游車轉向控制1997年7月4日，以太陽能作為動力的“逗留者號”漫游車在火星上著陸。漫游車全重10.4kg，可由地球上發(fā)出的路徑控制信號實施遙控，漫游車的兩組車輪以不同的速度運行，以便實現(xiàn)整個裝置的轉向。為了進一步探測火星上是否有水，2004年美國國家宇航局又發(fā)射了“勇氣號”火星探測器。“逗留者號”漫游車的轉向控制結構圖如圖8-43所示。待選參數(shù)范圍為：15～100；0.42～2.8。(1)設60，0.4，通過Simulink仿真繪制系統(tǒng)的單位階躍響應和單位斜坡響應曲線以及系統(tǒng)的誤差曲線。(2)設(3)設,繪制系統(tǒng)的根軌跡圖，分析使系統(tǒng)穩(wěn)定的的取值范圍。70，0.6，繪制開環(huán)系統(tǒng)的伯德圖，要求在圖上顯示相角裕度和幅值裕度。解：(1).建立SIMULINK仿真文件sx8620801.mdl(2)設,繪制系統(tǒng)的根軌跡圖，分析使系統(tǒng)穩(wěn)定的的取值范圍。根軌跡方程為：z=[-0.5];p=[0;-1;-2;-5];k=1;sys=zpk(z,p,k)